新型耗能增强型形状记忆合金阻尼器减震性能探究

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1、新型耗能增强型形状记忆合金阻尼器减震性能探究　　摘要：首先通过形状记忆合金的材性试验研究了其超弹性变形性能，并将其等效拟合为多线性模型，得到其计算参数.然后，提出了一种新型耗能增强型SMA阻尼器，说明了其构造，阐述了其工作原理和设计要点，推导了阻尼器的恢复力模型.最后通过有限元程序对设置该阻尼器的多层钢框架、对角设置SMA拉索的多层钢框架、普通钢框架进行了地震时程分析，对比研究了该阻尼器的消能减震能力.结果表明该阻尼器的滞回环非常饱满，耗能能力强，大震下对结构的位移和层间位移角控制效果显著.关键词：SMA阻尼器；减震性能；滞回耗能；动力时程分析中图分类号：TU352.1文献标识码：A形状记忆合

2、金（shapememoryalloys，简称SMA）是一种机敏材料，主要有两个特性：形状记忆性能和超弹性性能＼[1＼].利用SMA的形状记忆性能可制作成驱动元件，进行结构主动控制，利用SMA的超弹性性能和高阻尼特性可制成各种构造形式的SMA阻尼器，进行结构被动控制.相比较其他类型的阻尼器，SMA阻尼器的一个突出优点是阻尼器耗能后残余变形很小.11目前开发的SMA阻尼器种类较多，大多数阻尼器是用SMA丝（SMA束或SMA绞线）制成.Tamai等＼[2＼]把SMA丝设置在框架的对角进行振动控制，并研究了其耗能性能；Corbi＼[3＼]提出了把SMA拉索设置在剪切框架的底部对角进行隔震，研究表明能有

3、效地减小结构的动力反应，增大结构的自复位能力；丁阳等＼[4＼]通过数值模拟的方法研究了高层钢结构地震反应SMA对角拉索控制效果；韩玉林等＼[5＼]通过试验研究了把SMA拉索设置在框架对角的控制效果，研究表明设置了SMA拉索的框架振动反应衰减较快.利用SMA制成各种构造形式的阻尼器也很多，LiHui等＼[6＼]利用SMA超弹性特性开发了2种新型的SMA阻尼器——拉伸型SMA阻尼器和剪刀型SMA阻尼器，其中剪刀型SMA阻尼器通过改变剪刀的力臂可以达到位移放大的效果；Dolce等＼[7＼]设计了一种具有自复位能力的阻尼器；Zhang等＼[8＼]采用超弹性SMA铰线设计了一种可以重复使用的迟滞阻尼器（

4、RHD）；Zuo等＼[9＼]提出了一种SMA复合摩擦阻尼器；薛素铎等＼[10-12＼]设计了几种不同类型的SMA阻尼器；Song等＼[13＼]比较详细地总结了SMA阻尼器在土木工程中的若干应用；李宏男等＼[14-15＼]也开发了几种SMA阻尼器；禹奇才等＼[16＼]提出了一种放大位移型SMA阻尼器；倪立峰等＼[17＼]也提出了SMA阻尼器；凌育洪等＼[18＼]也研发了一种新型SMA11阻尼器.总之，目前开发的SMA阻尼器种类较多，但大多数不具备放大SMA位移反应的功能.为此，本文研究思路是首先通过材性试验研究了SMA丝滞回性能并确定了计算所需的SMA参数，提出一种SMA阻尼器，阐述了其设计要点

5、，推导了恢复力模型，最后通过算例对比研究了SMA阻尼器的减震性能.湖南大学学报（自然科学版）2013年第2期陈云等：新型耗能增强型形状记忆合金阻尼器减震性能研究1SMA的力学性能鉴于随后要对SMA阻尼器在有限元程序里进行模拟计算，需要预先确定SMA的输入参数，特对SMA进行力学性能试验.试验选用的SMA为Ti50.8%Ni的SMA丝.SMA丝的最大可回复应变为8%，最大回复应力为600MPa.试件有效长度为150mm，直径为1.0mm.拉伸试验装置为微机控制电子万能试验机，采用50mm标距的引伸仪测量位移.试验时首先在室温下进行拉伸、卸载循环试验，使材料的超弹性性能稳定，然后开始加载、卸载，绘

6、制应力应变曲线.将试验所得SMA的应力应变曲线等效拟合后得到的应力应变曲线如图1所示，SMA的弹性模量为58000N/mm2，泊松比取0.3，在程序里SMA的超弹性性能曲线被简化成多段线性直线，其拟合参数取值如表1所示11阻尼器安装在结构中所耗散能量的大小既与阻尼器自身的性能有关，也与阻尼器安装位置处结构的相对变形大小有关.因此，在阻尼器已经确定的前提下，如何在结构相对变形合理的情况下增大阻尼器的位移行程就是一个有意义的问题.本文所开发的SMA阻尼器可以放大SMA丝的变形，在同样结构变形的条件下，该阻尼器可以耗散更多的能量.其依据是杠杆原理和平行四边形形状可以改变的性质.阻尼器主要由4根钢杆和

7、两组SMA丝（束或绞线）组成，4根钢杆分成两组，每组两根钢杆之间通过销栓组成一个剪刀撑，SMA丝固定在剪刀撑较长一端的端部，两个剪刀撑较短一侧的端头之间通过销栓连接在一起组成一个平行四边形.阻尼器通过两根斜撑与结构的对角位置铰接在一起.其构造示意图如图2所示在Pasadena波作用下，SMA阻尼器控制结构的层位移和层间位移角也能得到较好地控制，最大分别达到22.02%和20.96%，而对角拉索的控